DE69731060T2

DE69731060T2 - Verfahren und Gerät zur Berechnung und Steuerung von nicht-linearen Störungen in einem Rückführsteuerungssystem

Info

Publication number: DE69731060T2
Application number: DE69731060T
Authority: DE
Inventors: III William John Schade
Original assignee: Woodward Governor Co
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: CN1195796A; EP0845722B1; EP0845722A2; CN1108545C; JPH10214102A; US6094602A; DE69731060D1; EP0845722A3; ATE278978T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen geschlossenen Rückkapplungsregelkreis und insbesondere Steuersysteme welche ausgebildet sind um „Störungen" insbesondere nicht-lineare Störungen zu berücksichtigen.
Hintergrund der Erfindung
Rückkapplungsregelkreise sind, bestens bekannt und haben zahlreiche praktische Anwendungen. Sie können sehr einfach oder sehr sophistisiert und komplex sein. Viele haben analoge oder digitale Rechner zum Ausüben von Steuerfunktionen, haben Sensoren zum Erfassen von Prozess- oder Anlagebedingungen und haben Ausgänge zum Steuern des Prozesses oder der Anlage. Allgemeiner ausgedrückt, Rückkapplungsregelkreise kann man sich vorstellen mit einem Eingangsbefehl, einen Rückkapplungseingang (oder Anlageneingang), Steuerelemente um das Verhältnis zwischen dem Befehl und den Rückkapplungssignalen zu erfassen und um einen Steuerausgang entsprechend dem Fehler zwischen diesen Signalen zu erzeugen um den Prozess zu steuern. Rückkapplungsregelkreise können so einfach sein wie ein Thermostat in einer Gebäudeheizungsvorrichtung. In einem Fahrzeug umfassen sowohl die Geschwindigkeitsregelung wie das ABS-Bremssystem geschlossene Rückkapplungsregelkreise.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit mäßig sophistisierten Steuersystemen welche zusätzlich zur Reaktion auf Steuerungs- und Rückkapplungssignale zur Erzeugung eines Steuerausgangs in Abhängigkeit der Differenzen zwischen den Steuerungs- und Rückkapplungssignalen, nicht-linearen „Störungen" ausgesetzt sind und diese ausgleichen sollen. Eine wichtige Anwendung für solche Steuersysteme ist bei Brennstoffsteuerventilen (oder Einspritzventile) von großen Industriemotoren, wie Turbinen oder Mehr-Zylinderverbrennungsmotoren. In solchen Systemen wird eine Betätigungsstellung an einen gewissen Punkt gesteuert um eine bestimmte Menge Brennstoff durchfließen zu lassen und das Rückkapplungssystem wird die Motorenparameter erfassen (wie z. B. U/M) und diese mit einem Eingangsbefehlsignal vergleichen um die Stellung der Betätigung auf einem Punkt zu halten wo das Fehlersignal minimal ist. Meistens mit Ausnahme von der Anfangsphase ist das Ventil stationär. Wenn eine Regelung erforderlich ist, muss das Steuerungssystem ein Signal erzeugen um das Ventil in seine neue Stellung zu steuern. Es kommt jedoch Reibung ins Spiel und es ist bekannt, dass, bevor das Ventil sich zu bewegen beginnt, Kraft aufgewendet werden muss, die ausreicht um die statische Reibung zu überwinden. Diese Kraft ist wesentlich größer als die Kraft die erforderlich ist um das Ventil einfach ohne Reibung in die neue Stellung zu bringen. Es sind diese Arten Reibungseffekte welche in diesem Beispiel als nicht-lineare Störungen betrachtet werden können.
Es sei hier bemerkt, dass Reibung nicht unbedingt universell als Störung zu betrachten ist. Bei Rückkapplungsregelkreisen wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben, ist sie jedoch ein nützlicher Begriff für Steuerzwecke. Die Reibung wird demgemäß als Störung behandelt und in der bevorzugten Ausführung die Störung von Interesse in diese Anmeldung.
Der Fachmann weiß, dass das Störsignal ignoriert werden kann und dass schlussendlich mit einem korrekt ausgestalteten Regelkreis die Steuer- und Rückkapplungssignale das System in die gewünschte Stellung bringen aber meistens mit Grenzkreisen wegen der Reibung. Dies ist jedoch nur duldbar bei System welche langsame Ansprechzeiten vertragen. Bei einer Steuerung mit hoher Ansprechempfindlichkeit mit einer schnellen Reaktionszeit wo eine entsprechend große Bandweite erforderlich ist, kann das Störungssignal nicht einfach ignoriert und die Störung in der Steuerung verschwinden gelassen werden. Dies würde die Ansprechzeiten bis über die zugelassenen Grenzen wachsen lassen. Es müssen im Gegenteil Schritte unternommen werden um irgendwie auszugleichen oder die zu erwartenden nicht-linearen Störungen zu berücksichtigen. Dies wird vorzugsweise so gemacht, dass die allgemeine Leistung des Systems und die Ansprechzeit nicht darunter leiden und auch so, dass die Stabilität des Systems nicht darunter zu leiden hat.
In der Vergangenheit wurden so genannte „Ziffer" Techniken angewandt um die Störungen als solche zu behandeln. Ein Zittersignal ist ein Störungssignal, z. B. eine Rechteckwelle oder ein Impulssignal, das dem System aufgedrückt wird um das Störungssignal und seine Wirkung zu übersteuern. Die Größe des Zittersignals reicht aus um die Reibung zu überwunden. Die Wirkung des Zittersignals ist das Ausgangssignal dauernd zu oszillieren, so dass die Betätigung nur in einer Richtung (nur ein wenig) oder der anderen angetrieben wird, so dass ein Störungssignal das eine Ventilbewegung erforderlich macht von der Steuerung erzeugt wird, das Zittersignal die statische Reibung überwunden hat. Diese Technik hat jedoch eine Anzahl Nachteile: die Zittertechnik ist natürlich nicht anpassbar, so dass das Signal so eingestellt sein muss, das größer ist als die größte Störung welche zu erwarten ist. Im Beispiel der Reibung muss es höher eingestellt sein als der höchste Reibungswert der je im System zu erwarten ist. Die Reibung ist außerdem eine variabel nicht lineare Kraft und die Zittertechnik kann nicht an verschieden Reibungswerte angepasst werden. Die Anwendung der Zittertechnik bringt demgemäß zu wenig oder zu viel Kraft auf, um die Reibungskräfte zu überwinden. Des weiteren schwächt die Zittertechnik das System durch die Erregung von Resonanzen oder dadurch, dass die Steuerantwort weniger bestimmt ist.
Es wurden bereits Vorschläge gemacht für anpassbare Verfahren zur Behandlung von Störungen, wenn die Störungen linearer Art sind. Wenn die Störungen jedoch nicht-linear werden, muss auf andere Techniken zurückgegriffen werden wie die Anwendung der Zittertechnik um sich annehmbaren Ansprechzeiten und konstanten Leistungen zu nähern.
US 5,115,418 betrifft eine Steuervorrichtung welche einen Beobachter benutzt der von Reibung verursachte Drehkraftstörung abschätzt welche dem Ausgangssignal der Steuervorrichtung beigefügt wird und ein Antriebsmoment überwindet. Es ist aber kein Modell einer zu steuernden Anlage gezeigt welches benutzt wird um die Anlagenansprechzeit abzuschätzen und ein Rückkapplungssignal zu Steuervorrichtung zu erzeugen als Eingang zum Fehlersignal.
Zusammenfassung
Es ist folglich ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung einer Rückkapplungsregelkreis zu schaffen, welcher nicht-lineare Systemstörungen berücksichtigt und abschätzt anstatt einfach zu versuchen die nicht-linearen Störungen zu bezwingen.
Zum Erreichen dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Regelkreis zu schaffen welcher einen Abschätzer oder einen Beobachter ausweist welcher die Entstehung einer nicht-linearen Störung bestimmt und ein Ausgangssignal erzeugt das ausreichend groß ist um die nicht-lineare Störung auszugleichen.
In einer bestimmten Ausführung ist es eine Aufgabe einer Regelkreis zur Verwendung in einer Betätigung zu schaffen welcher die nicht-linearen Störungen in der Betätigung berücksichtigt einschließlich statische und gleitende Reibung und beim Auftreten einer solchen Störung das Steuersignal zu ändern um die Wirkung dieser Störungen zu berücksichtigen und zu minimieren.
Es ist folglich eine weitere Aufgabe der Erfidung einen geschlossenen Rückkapplungsregelkreis zu schaffen mit guter Ansprechbarkeit welcher durch Abschätzung und Steuerung der nichtlinearen Störungen die Ansprechzeit verbessert und welcher dies so erledigt, dass die Zuverlässigkeit nicht negativ beeinträchtigt werden.
In einer gewissen Hinsicht kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen werden eine anpassbare Zittertechnik für verschiedene Arten Regelkreise zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele durch ein Regelsystem gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung welche eine Steuerung in einem geschlossenen Kreis einer Anlage durchführen wobei die Anlagensteuerung auf Steuersignale und auf Rückkapplungssignale anspricht um einen Steuerausgang zu erzeugen und welche nicht-lineare Störungen auf besonders wirksame Weise berücksichtigt. Es wird ein Zustandsmodell aufgestellt welches die Anlage grob darstellt und welches von dem Steuerausgang getrieben wird. Ein Komparator vergleicht ein Signal das einer Betriebszustand der Anlage darstellt mit einem entsprechenden Betriebszustand des Zustandsmodells um ein die Differenz darstellendes Fehlersignal zu produzieren. Zum Beispiel werden ein Positionssignal der Anlage und ein eine Position darstellender Zustandsausgang des Modells verglichen um Differenzen zwischen der Anlage und dem Modell festzustellen. Ein Störungsabschätzer und Steuerung spricht auf das Fehlersignal an um ein Störungssteuerungsausgangssignal zu erzeugen welcher eine vorbestimmte Größe hat und auf bekannte nicht-lineare Eigenschaften der Störung basiert. Es sind Mittel vorgesehen um Störungssteuerungsausgang als zusätzlichen Eingang der Anlage zu koppeln um nicht-lineare Störungen auszugleichen.
Im besonderen Beispiel wo die interessierende Störung Reibung ist, erzeugen der Störungsabschätzer und Steuerung einen zweistöckigen Ausgang mit einer ersten konstanten Komponente welche etwas weniger groß ist als die kleinste Störung die im System bekannt ist. Eine zweite Komponente ist eine der konstanten Komponente zugefügte Rampe, so dass die Summe dieser Signale das System schnell durch die nichtlineare Störung treibt. Das Störungssignal zeigt, z. B. durch Polaritätsumkehrung, den Punkt wo der Ausgang durch die Störung zieht worauf hin die Störungssteuerung ebenfalls umkehrt.,
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Störungsabschätzer und Steuerung dem Anlagensteuersignal ein Ausgleichsignal zufügen mit einer Größe die angemessen ist um nichtlineare Störungen auszugleichen und welche die Polarität um einen Kontrollpunkt umkehrt. In einer bevorzugten Ausführung ist das System ausgebildet um eine sehr kleine Grenzkurve am Betätigungsausgang zu erzeugen, so dass die Reibungseffekte leicht überwunden werden ohne die nachteilige Folge eines übermäßigen Verschleißes und Bewegung der Betätigung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann eine sehr beständige und lineare Steuerung geschaffen werden welchen von einem nicht-linearen Störungsabschätzer und Steuerung überlagert ist, dies in einer Weise welche die Widerstandsfähigkeit und die unterlagerte lineare Steuerung nicht beeinträchtigen.
Gemäß gewissen Gesichtspunkten der Erfindung ist es ein Merkmal, dass die Grundsteuerung der Anlage für Anlagebedingungen optimiert ist und der nicht-lineare Störungsabschätzer und Steuerung ausgebildet ist um sehr kleine Betätigungsbewegungen und sehr kleine durch nicht-lineare Störungen hervorgerufene Fehler zu berücksichtigen ohne die allgemeine Widerstandsfähigkeit des Basisregelkreises der Anlage zu beeinträchtigen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden Einzelbeschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines üblichen PID Rückkapplungsregelkreises mit einem Zittermodell zum Beherrschen der Störungen;
2 ist ein Blockschaltbild eines Rückkapplungsregelkreises mit dem erfindungsgemäßen Störungsabschätzer und Steuerung;
3 ist ein Blockschaltbild ähnlich wie 2 einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer anderen Schaltung eines Störungsabschätzers und Steuerung in einem Regelkreis als Beispiel für die Breite der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Zustandsmodell zweiter Ordnung eines Betätigungssystems mit Steuerung;
5 ist ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Störungsabschätzers und Steuerung;
6 ist ein schematisches Blockschaltbild eines komplexeren erfindungsgemäßen Störungsabschätzer und Steuerung.
Einzelbeschreibung der bevorzugten Ausführung
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere im Zusammenhang mit einem Rückkapplungsregelkreis einer Betätigung beschrieben in welcher die auszugleichenden Störungen der Betätigung zugeordnete Reibungskräfte sind. Die Beschreibung wird die Erfindung aber auch auf einer breiteren Grundlage kennzeichnen, indem sie einem allgemeinen Rückkapplungsregelkreis angepasst werden kann welcher nicht-linearen Störungen ausgesetzt ist und bei welchem Mitteln vorgesehen sind um die Effekte solcher nicht-linearen Störungen abzuschätzen und zu regeln. Folglich obschon die Ausführung der Betätigung die derzeit bevorzugte Ausführung der Erfindung ist, wird hervorgehoben, so dass die Erfindung weitere Auswirkungen hat und es besteht die Absicht sämtliche Varianten und Änderungen der vorliegenden Erfindung sowohl eng als breit, die sich im Rahmen der durch die beiliegenden Ansprüche definierten Erfindung befinden, abzudecken.
Zurückkommend auf die Zeichnung und zum Festlegen der Grundlage der vorliegenden Erfindung, 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Betätigung mit einer üblichen PID Steuerung mit einer Zittertechnik um die Störungskräfte zu beherrschen. Gemäß dieser üblichen Ausführung ist eine Steuerbefehleingabe 10 z. B. ein Steuersignal einer Stellung als Eingang mit einer üblichen proportional, integralen und differenzialen (PID) Steuerung 12 verbunden. Gemäß dem üblichen Verfahren der Rückkapplungsregelkreise hat die PID Steuerung ebenfalls ein Rückkapplungssignal betreffend die Stellung der Betätigung als Rückkapplungseingang über die Linier 24. Der Ausgang 13 der PID Steuerung 12 ist je nach den Kennzeichen und Leistungskriterien des Systems mit einer P, P' oder PID Steuerung 14 verbunden. Die P, PI oder PID Steuerung 14 bekommt ebenfalls ein Rückkapplungssignal in diesem Fall betreffend die Geschwindigkeit der Betätigung des Eingangs über die Linie 22.
In einer idealen Welt, z. B. ohne Störungen wie Reibung wäre der Ausgang 15 der P, PI oder PID Steuerung 14 unmittelbar mit der Anlage 20 verbunden um die Betätigung in die gewünschte Stellung zu bewegen. In einer tatsächlichen Welt mit Rückkapplungsregelkreisen sind Störungen wie Reibung jedoch immer vorhanden und interferieren mit den Leistungen des Systems. Um genügend Kraft zur Verfügung zu haben um die auf das System wirkenden Reibungskräfte zu überwinden erzeugt eine Zittersignalquelle 16 ein Zittersignal welches dem Signal 15 in einer Additionsschaltung 18 zugefügt wird und das entstehende Signal 19 ist dasjenige das mit der Anlage 20 gekoppelt ist.
Die Überwindung der Reibung welche statische Reibung umfasst, kann einfach folgendermaßen beschrieben werden. Angenommen das Befehlssignal und das Rückkapplungssignal sind derart, dass eine Änderung am Ausgang erforderlich ist und, dass das System ein Hochleistungssystem mit schnellen Ansprechzeiten ist. Die Differenz zwischen Befehls- und Rückkapplungssignal wird ein Fehlersignal einer bestimmten Größe erzeugen. Wenn das System sich bereits in die vom Fehlersignal verlangte Richtung bewegt, wird das Fehlersignal in der Lage sein, die Anlage im Rahme der Auslegungsparameter des Systems in die verlangte neue Stellung zu bewegen. Wenn die Anlage jedoch recht und statische Reibung oder andere Störungen vorhanden sind, wird das Fehlersignal nicht groß genug sein um die Anlage in der erforderlichen Ansprechzeit in die neue Stellung zu bewegen. Die Ansprechzeit und die Grenzkurve sind deshalb viel träger und der größte Teil der Ursache ist die Reibung oder die Störung. Wenn es erforderlich ist die statische Reibung zu überwinden um das System in Bewegung zu setzen, hat das Zitterverfahren ein Zittersignal verwendet um das Signal gerade in Bewegung zu halten und die statische Reibung auszugleichen. Wenn die Bewegung zu stark ist, wird die Anlage (z. B. die Betätigung mit ihren Dichtungen und Lagern) einem übermäßigen Verschleiß ausgesetzt und die Schwingungen und Leistungen können auch darunter leiden. Wenn das Zittersignal zu schwach ist, kann ein Teil der Störungen nicht überwunden werden. Es ist jedenfalls schwer ein konsequentes Niveau zu erreichen und die Systeme sind allgemein eine Mittellösung die weniger als zufrieden stellend sind.
Es gibt zahlreiche Ursachen weshalb die Zittertechnik keine ideale Lösung ist zur Steuerung von Störungen wie Reibung. Zuerst ist die Reibung eine variable nicht-lineare Kraft. Das Zittersignal hingegen ist gewöhnlich eine gleichmäßige Rechteckwelle oder ein Impulssignal. Da das Zittersignal nicht anpassbar ist, erzeugt es oft zu wenig oder zu viel Kraft um die Reibung zu überwinden. Die Zittertechnik verringert außerdem die Widerstandsfähigkeit des Systems. Folglich ist das System nicht in der Lage konsistent zu arbeiten trotz ändernder Parameterwerte, z. B. Reibung, angelegte Spannung, Durchflüssigkeit, usw.
2 ist ein Blockschaltbild eines Regelkreises für eine Betätigung wobei das System einen erfindungsgemäßen Störungsabschätzer mit Steuerung aufweist. Im Gegensatz zu der PID Steuerung wie in 1, zeigt 2 die Benutzung einer Zustandssteuerung. Ein Steuerbefehl 10 ist vorgesehen als Befehlsignalquelle für die Steuerung. Im Falle einer Betätigung wird das Befehlsignal typisch ein Stellungsbefehl sein. Der Stellungsbefehl ist mit einer Steuerung 30 verbunden. Die Steuerung 30 erhält ebenfalls ein Rückkapplungssignal durch die Linie 41. Hier kommt das Rückkapplungssignal jedoch von einem Modell anstatt von der Anlage selbst.
Erfindungsgemäß ist ein Betätigungsmodell 40 vorgesehen welches allgemein als Zustandsmodell des Systems oder des Anlage gekennzeichnet werden kann und welches Ausgangssignale erzeugt welche Abschätzungen des Systemzustandes sind. Im vorliegenden Beispiel soll der vom Modell bezogene Ausgang 40 ein Stellungsausgang sein der zur Steuerung 30 rückgekoppelt ist zum Vergleich mit dem Befehlstellungssignal zur Erzeugung eines Steuerausgangssignals 46.
In der Ausführung von 2 treibt das Steuerausgangssignal 46 unmittelbar das Betätigungsmodell 40 und erzeugt mit Hilfe eines Bewertungselementes 30a ein Ausgangssignal das als Hauptausgangssteuersignal mit der Anlage 55 verbunden ist. Abgesehen, also im Moment, vom Störungsabschätzer und den Steuerelementen reagiert die Hauptsteuerung 30 auf Steuerbefehle vom Modul 10 und Rückkapplungssignale auf der Linie 41 um in der Linie 46 ein Steuerausgangssignal zu erzeugen welches die Stellung der Anlage 55 steuert. Im vorliegenden Beispiel ist die Anlage 55 die Betätigung und es ist die Stellung der Betätigung welche gesteuert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Ausgang der Anlage 55 und ein Zustandsausgang des Betätigungsmodells 40 in einem Komparator 56a miteinander verglichen um ein Fehlersignal in der Linie 42 zu erzeugen. Das Stellungssignal in Leitung 56 stammt von einem Wandler (wie z. B. ein Drehmelder) welcher die Stellung der Betätigung misst und begibt folglich die tatsächliche Messung des gesteuerten Ausgangs. Das Signal in Linie 43 ist eine Schätzung des Stellungszustandes vom Modell 40. Die Differenzen zwischen diesen Signalen können Störungen wie Reibung zugeordnet werden und die Polarität und Größe des Signals in Linie 42 können erfasst werden um das Vorhandensein einer Störung festzustellen um seine Wirkung zu steuern. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung ein Störungsabschätzer/Steuerung 60 mit dem Komparator 56a verbunden um das Signal in Linie 42 abzutasten und ein Ausgangssignal zu erzeugen das geeignet ist um die Störung auszugleichen. Das Ausgangssignal wird auf die Linie 61 geschickt und wird mit dem Steuerungsausgang in Linie 31 kombiniert um ein Ausgangssignal 32 zu erzeugen welches die Anlage 55 antreibt.
Das Ausgangssignal und Linie 61 sind keine lineare Funktion des Fehlersignals auf Linie 42 und es ist auch keine Funktion welche linear mit der Zeit variiert. Stattdessen ist das von der Steuerung 60 erzeugte Signal dazu bestimmt nicht-lineare Kennzeichen der Störungen auszugleichen. Wie weiter unten noch beschrieben wird, ist in einer derzeit bevorzugten Ausführung der Erfindung das Störungsausgangssignal 60 in Form eines zweistöckigen Signals und umfasst eine Sprungfunktion mit einer Größe die etwas kleiner ist als die kleinste zu erwartende Störung summiert mit einem Rampensignal mit einer Größe die geeignet ist den Störungspegel zu durchlaufen. Die Vernetzung der Elemente wie in 2 gezeigt, ist geeignet um das Fehlersignal ständig zu überwachen wobei dieses ein Maß der Differenz zwischen der Anlage 55 und dem Zustandsmodell 40 der Betätigung ist und die Polarität umzukehren als Ausgangssignal der Störungssteuerung. Beim Umkehren der Polarität wird der Störungsabschätzer und Steuerung des Systems in die andere Richtung steuern bis der Komparator feststellt, dass das eine andere übertroffen hat. Das System wird auf diese Weise weiterfahren die Zustände zu wechseln und die Parameter sind, so dass die Bewegung über einen beständigen Zustandspunkt sehr klein ist und einer annehmbaren Zeitkurve.
Der Störungsabschätzer und Steuerung 60 benutzt das Fehlersignal in Linie 42 um die auf das System wirkende Störung abzuschätzen und nur die Kraft zu erzeugen die erforderlich ist um die Störung auszugleichen. Das Fehlersignal wird bestimmt durch einen Vergleich des Stellungssignals der Betätigung in Linie 56 mit dem Zustand des Betätigungsmodells in Linie 43. Die vom Störungsabschätzer und Steuerung 60 erzeugt Gegenkraft wird summiert mit dem Ausgleichsignal 31 nur ein Steuersignal 32 zu erzeugen. Das Steuersignal 32 ist das Signal welches die Betätigung 55 steuert.
In der Ausführung von 2 steuert das zusammengesetzte Signal 32 welches sowohl den Steuereingang wie auch den Eingang aus dem Störungsabschätzer und Steuerung umfasst, die Anlage 55 aber nur das Steuersignal 46 ist mit dem Modell 40 gekoppelt. Um dem Modell 40 zu helfen die Betätigung 55 zu folgen, ist das Fehlersignal 42 das dem Komparator 56a entnommen wird ebenfalls mit dem Eingang des Zustandsmodells verbunden. Die spezifische Weise wie dies durchgeführt ist, ist unten beschrieben. Hier genügt es zu verstehen, dass die Verbindung des Fehlersignals mit dem Modell dieser unterstützt um der Anlage zu folgen und demgemäß die allgemeine Regelung zu unterstützen.
3 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung mit etwa denselben Einzelheiten wie in 2. 3 zeigt getrennte Störungsabschätzer und Störungssteuerung und ihre Verbindungen zum Rest des Systems. Wie in der Ausführung von 2 erhält eine Hauptsteuerung 30 Befehle aus einem Steuermodul 10 und aus einem Betätigungsmodell 40 mit einem Systemzustandssignal in Linie 41 das die Stellung darstellt. Die Steuerung 30 erzeugt ein Ausgangssignal 46 das in dieser Ausführung durch eine Additionsschaltung geführt wird um ein zusammengesetztes Signal in Linien 32, 56 zu erzeugen welches sowohl das Betätigungsmodell 40 wie auch die Betätigung 55 steuert. Ein Rückkapplungssignal der Anlage 55 in Linie 56 und ein Rückkapplungssignal des Modellzustandes in Linie 43 sind mit einem Komparator 56a verbunden um ein Fehlersignal 42 zu erzeugen. Wie in der vorhergehenden Ausführung ist das Fehlersignal 42 ein Maß für die Störung und ist mit dem Eingang des Störungsabschätzers und der Störungssteuerung verbunden. Bei dieser Ausführung sind der Störungsabschätzer und die Störungssteuerung separate Elemente. Der Störungsabschätzer ist als Block 60a gezeigt und liefert ein Ausgangssignal das mit der Störungssteuerung 60b gekoppelt ist und ist ebenfalls mit dem Betätigungsmodell 40 verbunden. Der Störungsabschätzer kann bei bestimmten Betätigungen aus einem einfachen Komparator oder Integrator bestehen der ausgebildet ist um Reibungseffekte nachzuahmen. Das integrierte Ausgangssignal wird dann in die Störungssteuerung 60b gebildet welche ein Ausgangssignal erzeugt, das mit der Additionsschaltung verbunden ist um das Steuersignal 46 zu ergänzen und die Störung zu überwunden. Das zusammengesetzte Signal in Linie 32 ist in diesem Fall dazu bestimmt sowohl das Modell 46 wie auch die Betätigung 55 zu steuern.
In bestimmten Fällen können der Störungsabschätzer 60a und die Störungssteuerung 60b in einem Modul vereinigt sein. Dies ist insbesondere der Fall wenn der vordere Teil der Dynamik durch eine einfache Funktion angenähert werden kann, wie z. B. eine Konstante in welchem Fall der Abschätzer und die Steuerung dieselben Elemente werden. Wie jedoch in 3 gezeigt ist, wenn der Abschätzer ein komplexeres Element ist, können separate Abschätzungs- und Steuermodule vorgesehen sein um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
Spezielle Formen des Störungsabschätzers und Störungssteuerung der Erfindung sind näher mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben. Um den Störungsabschätzer und Störungssteuerung der Erfindung zu benutzen muss zuerst ein Modell des in Frage kommenden Systems entworfen werden. Wie nachfolgend beschrieben eignet sich meistens ein sehr einfaches Zustandsmodell. Das Systemmodell wird dann benutzt um Systemzustände zu erhalten und um die tatsächliche Systemleistung mit dem Modellleistung zu vergleichen.
4 zeigt, dass bei der vorliegenden Ausführung der Erfindung die Betätigung zweckmäßig durch ein Zustandsdiagramm zweiter Ordnung modelliert und dargestellt werden kann. Das Betätigungsmodell 40 umfasst zwei in Serie geschaltete Integratoren 47 und 45. Rückkapplungssignale auf den Linien 44 und 43 stellen die Zustände der Geschwindigkeit bzw. der Stellung dar. Es versteht, sich also, dass das Zustandsmodell eine eher einfache Ausführung ist und den Zustand des Systems nur grob kennzeichnet. Wenn das Modell 40 jedoch benutzt wird wie die Erfindung es vorsieht, ist es geeignet eine ausreichende Information über die zu benutzenden Betätigungszustände des Steuerungssystems der Störungsabschätzer und Störungssteuerung zu liefern um eine genaue Rückkapplungssteuerung der Betätigung zu schaffen.
Die restlichen in 4 gezeigten Elemente stellen die Steuerelemente dar. Die Additionsschaltung 48 kombiniert das Befehlssignal 10 das StellungsRückkapplungssignal vom Modell auf Linie 43 und im vorliegenden Fall eine angepasste Funktion des Geschwindigkeitszustandes auf Linie 44. Das Ausgangssignal 49 der Additionsschaltung 48 wirkt über ein Verstärkungselement 49a um ein Ausgangssignal auf Linie 46 zu erzeugen welche sowohl das Modell 40 wie auch die Anlage (nicht in 4 gezeigt) antreibt. Die Verstärkungen werden teilweise durch die gewünschte Dynamik des Systems bestimmt.
In 4, z. B., bestimmen K_c1 und K_c2 die Dynamik des Systems. K_c1 und K_c2 werden z. B. durch eine Auswertung der Formel G(s) = 1/(S2/Kc2 + S*Kc1 + 1)bestimmt.
Ausgehend hiervon zeigt 4 eine vereinfachte Ausführung eines erfindungsgemäßen Regelkreises. Es ist ein Betätigungsmodell 40 vorgesehen mit zwei Integratoren 47 und 45 die geschaltet sind um ein einfaches Zustandsmodell des Systems zu schaffen. Um das Modell etwas repräsentativer des Systems zu gestalten werden die Eingangssignale durch die Integratoren 47 und 45 wie nachfolgend beschrieben ergänzt. Wie also in 5 gezeigt; anstatt den Steuerbefehl auf Linie 46 unmittelbar mit dem ersten Integrator 47 zu verbinden, wird dieses Signal durch ein dem Fehlerkomparator 56a entnommen Signal über Linie 53 ergänzt. Ein Signal 53 wird mit dem Signal 46 in der Additionsschaltung 50 summiert um ein Ausgangssignal auf Linie 54 zu erzeugen welches als Eingang zum ersten Integrator 47 dient. Das Signal auf Linie 53 stellt seinerseits das mit einer Verstärkungskonstante K_e1 multiplizierte Fehlersignal auf Linie 42 dar. Die Verstärkung K_e1 wird ausdrücklich durch die Festlegung der Stellungsbandweite bestimmt. 6 zeigt sowohl die allgemeinen Konstanten wie auch die einzelnen Elemente welche die Konstanten bestimmen. Der Fachmann wird leicht verstehen wie die oben erwähnten auf die Bandweiten und Faktoren basierten Konstanten ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Verfeinerung des Systems von 5 wird anstatt den zweiten Integrator 45 des Modells vom Ausgang des die Geschwindigkeit bestimmenden Integrators 47 zu betreiben das Eingangssignal 44 von einem weiteren der Anlage entnommenen Signal 52 ergänzt. Eine Additionsschaltung 51 erhält demgemäß ein Signal 44 aus dem Integrator 47 und ein weiteres Signal auf Linie 52 aus einem Verstärkungselement 52a welches das Fehlersignal 42 als Eingang hat. Die Verstärkung K_e2 des Elements 52a ist ausführlich bestimmt aufgrund derselben Variablen wir die Verstärkung K_e1. Auf diese Weise kann das Betätigungsmodell 40 den Betrieb und die Zustände (z. B. Geschwindigkeit und Stellung) der Betätigung 55 genauer voraussagen.
Eine Ausführung der erfindungsgemäßen Störungsabschätzung und Störungssteuerung 60 wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. In der gezeigten Ausführung werden Hystereseschalter 69, 65 verwendet um Stromsignale zu liefern welche mit dem Steuerungsausgang addiert werden um eine zusammengesetzte Betätigung der Anlage zu erzeugen. Diese Schalter werden in Kombination mit einem Störungsintegrator 72 benutzt und wenn sie benutzt werden wie beschrieben wird, werden sie so schnell wie möglich genügend Kraft erzeugen um die Reibung zu überwinden ohne die Leistung des Systems zu beeinträchtigen. Der Ausgang des Hystereseschalters 65 dient als unmittelbaren Eingang einer Additionsschaltung 79 welche ein zusammengesetztes Signal auf der Ausgangslinie 32 erzeugt das mit der Betätigung verbunden ist um diese anzutreiben. Das Fehlersignal steuert ebenfalls einen zweiten Hystereseschalter 69 welches einen Integrator 72 betätigt um ein steigendes Signal zu erzeugen welches das Störungssteuerungssignal auf Linie 66 ergänzt. Das Ziel ist ein zusammengesetztes Signal zu erzeugen, welches mit dem Steuersignal 31 addiert wird um die Störung zu überwinden.
Des Hystereseschalter 65, 69 erzeugen Ausgangssignale einer vorgegebenen Größe und unabhängig von der Größe des Eingangsfehlersignals 42. wenn also die Fehlersignale in einer bestimmten Polarität kippen erzeugt der Hystereseschalter 65 ein Ausgangssignal einer bestimmten Größe. In der gezeigten Ausführung ist das Ausgangssignal des Schalters 65 ein konstantes Signal mit einer Größe die gerade etwas kleiner als die kleinste im System bekannte Störung ist. Diese Stufenfunktion wird von einer Rampe welche vom Hystereseschalter 69 und vom Störungsintegrator 72 erzeugt wird, ergänzt. Die Rampe fügt dem konstanten Signal 65 ein sich vergrößerndes Rampensignal hinzu welches das zusammengesetzte Signal rasch durch die Störung treibt. Als Folge hat das Stromsignal 32 das zur Betätigung geschickt wird drei Komponenten: die Hauptsteuerungskomponente auf Linie 31, die minimal gesetzte Größe auf Linie 66 und das Rampensignal auf Linie 73 welche kombiniert werden um die Störung auszugleichen. Die Störung wird in dem Sinn „abgeschätzt", dass der Ausgang de Anlage und der Ausgang des Modells dauernd vom Komparator 56a überwacht werden und wenn das Signal von der Anlage das Signal vom Modell übertrifft die Umkehrung vom Komparator 56a festgestellt wird wodurch die Polarität des Fehlersignals 42 gekippt wird. Dies wird sofort von den Hystereseschaltern 65, 69 festgestellt welche ihre Polarität ändern werden und versuchen werden die Betätigung in die andere Richtung anzutreiben. Diese Änderung der Polarität des Fehlersignals auf der Linie 41 und das mit der Additionsschaltung 79 verbundene Steuerungssignal der Polarität der Störung werden fortgesetzt. Die Verstärkungen sind derart, dass die Bewegung um einen festgesetzten Punkt sehr klein ist obwohl die Größe des Störungssteuersignals ausreichend ist um das System durch die Störung zu treiben.
Der Grad der „Schwankung" um einen stabilen Punkt wird manchmal gekennzeichnet als „Grenzkurve". Es ist ein allgemeines Ziel hinsichtlich der Auslegung und Leistung des Rückkapplungsregelkreises die Grenzkurve zu minimieren oder zumindest in annehmbaren Bereichen zu halten. Was als annehmbarer Bereich betrachtet wird, hängt vom System ab. Be GS10 und GS25 Betätigungen (siehe unten) können die Dichtungen der Betätigung etwas Biegung ertragen. Wenn die Grenzkurve der Betätigung im Biegungsbereich der Dichtungen gehalten werden kann, dass der Verschleiß und die Zerrung an den Betätigungskomponenten minimal sein und die Betriebsdauer der Betätigung wird verlängert. Desgleichen, wenn die Bewegung der Betätigung um einen konstanten Ausgangszustand minimal gehalten wird, werden der Verschleiß und die Zerrung an anderen Betätigungskomponenten wie Betätigungslager ebenfalls minima sein. Wenn eine außergewöhnlich kleine Grenzkurve (im allgemeinen in der Größenordnung von 0.02°) aufrecht erhalten wird, besteht die Tendenz, dass tatsächlich Fehlerbewegung minimiert werden welche vom Störungsabschätzer und Steuerungssystem erzeugt werden, so dass die Dichtungen und Lagerungen der Betätigung nicht zu viel abgenutzt werden. Gleichzeitig wird, wenn eine Bewegung der Betätigung gewünscht ist, die Reibungsstörung auf schnelle und zuverlässige Weise gut berücksichtigt.
Wie unten näher beschrieben wird, erzeugt der Hystereseschalter 65 eine konstante Kraftkomponente 66 und der Integrator 72 erzeugt eine rampenförmige Kraftkomponente 73. Die Kraftkomponenten 66 und 73 in einer Additionsschaltung 76 mit dem Kompensationssignal 31 addiert um ein Steuerungssignal 32 zu erzeugen welches der Betätigung 55 (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Das Steuerungssignal 32 wird ausreichend Strom umfassen um die Reibungskräfte zu bewältigen und die Betätigung 55 in die gewünschte Stellung zu bewegen. Wegen der rampenförmigen Kraftkomponente 73 kann es jedoch vorkommen, dass das Steuerungssignal 32 zuviel Strom hat und die Betätigung leicht über die gewünschte beständige Zustandsstellung hinausschießt. Sobald die Betätigung 55 (nicht gezeigt) die gewünschte Stellung jedoch überschreitet, ändert das Zeichen des Fehlersignals 42. Wenn das Zeichen des Fehlersignals 42 ändert, ändert ebenfalls das Zeichen der Ausgänge der Hystereseschalter 66 und 65, so dass die Kraftkomponenten 66 und 73 in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt werden. Die Betätigung wird dann in die entgegengesetzte Richtung ausgetriebenen des gewünschten stabilen Zustands zu erreichen. Wegen der rampenförmigen Kraftkomponente 73 wird die Betätigung jedoch auch diesmal leicht über den gewünschten stabilen Zustand hinausschießen. Die überflüssige Bewegung wird das Zeichen des Fehlersignals wieder in die entgegengesetzte Richtung angetrieben wird. wegen der Fähigkeit der Hystereseschalter 69 und 65 das Zeichen ihrer Ausgänge sozusagen unverzüglich zu ändern wird die Betätigung in einem annehmbaren Bereich um den gewünschten stabilen Zustand oszillieren (d. h. die Grenzkurve). Der erfindungsgemäße Störungsabschätzer und Störungssteuerung kann diese Grenzkurve auf sehr kleinen Werten halten.
In vielen Rückkapplungsregelkreisen, insbesondere bei Betätigungen gibt es immer einen bestimmten minimalen Anteil an Reibung. Die Reibungskräfte können größer sein als dieser minimale Anteil aber sie werden wie kleiner sein. Da dieser minimale Anteil Reibung jedes Mal überwunden werden muss wenn die Betätigung sich bewegt, ist es wünschenswert eine Gegenkraft vorzusehen um diesen minimalen Anteil Reibung so schnell wie möglich zu überwinden. Der Hystereseschalter 65 liefert diese sofortige Gegenkraft. Je nachdem das Zeichen des Fehlersignals positiv oder negativ ist, stößt der Hystereseschalter 65 ein positives oder negatives konstantes Stromsignal 55 aus um den minimalen Anteil Reibung zu überwinden. Dieser minimal Anteil Reibung welcher immer im System vorhanden ist wird durch Experimentierung bestimmt. Es muss beachtet werden, dass die Ausgänge der Hystereseschalter 65 und 69 in jedem Rückkapplungsregelkreis immer konstant sind.
Wie oben erwähnt, sind die auf das System wirkenden Reibungskräfte oft größer als der minimale Anteil der bekanntlich immer vorhanden ist. Die Erfindung benutzt demgemäß auch den Hystereseschalter 69 zusammen mit dem Störungsintegrator 72 um die restliche Kraftkomponente zu schaffen welche erforderlich ist um die im System tatsächlich vorhandene Reibungskraft zu überwinden.
Das Störungssignal auf Linie 42 ist mit dem Eingang des Hystereseschalters 69 verbunden. Ähnlich wie Hystereseschalter 65 liefert der Hystereseschalter 69 positiven oder negativen konstanten Strom 62 je nachdem ob das Zeichen des Störungssignals 62 positiv oder negativ ist. Der Ausgang 62 des Hystereseschalters 69 wird als Eingang des Integrators 72 benutzt. Der Ausgang des Integrators 72 ist eine Stromrampe 73 welche, nachdem sie mit dem vom Hystereseschalter 65 gelieferten konstanten Strom addiert worden ist, ausreichend Strom liefert, d. h. Kraft um die Betätigung so schnell wie möglich durch die tatsächlich um System vorhandene Reibung zu führen.
Der Ausgang 62 des Hystereseschalters 69 ist mit dem Eingang des Integrators 72 verbunden um die Zeit zu verkürzen welche der Integrator 72 braucht um den zur Überwindung der Reibung erforderlichen Strom zu erzeugen. Der Rhythmus des Integrators muss klein genug sein um die von den Steuerstromzustandsänderungen verursachten Schwankungen zu vermeiden, aber hoch genug um den Verfall der kleinen Bandweitesignale zu vermeiden. Des Weiteren muss der Rhythmus des Integrators kleiner sein als der Wert welcher Satteignungsschwankung des Antriebsstroms erzeugen würde.
Bei Verwendung des Ausgangs eines Hystereseschalters als Eingang für den Integrator, anstatt das Fehlersignal 42, kann der Integrator 72 in einem konstanten schnellen Rhythmus integrieren sogar wenn die Amplitude des Fehlersignals sehr klein ist, was das Beibehalten kleiner Bandweitensignale ermöglicht. Wenn z. B. der Eingang des Integrators das Fehlersignal wäre und das Fehlersignal klein ist wenn die Betätigung eine große Reibungskraft überwinden muss, würde der Integrator lange Zeit brauchen im die zur Überwindung der Reibung erforderliche Kraft zu erzeugen. Bei Verwendung eines Hystereseschalters 69 kann der Integrator jedoch immer schnell integrieren unabhängig von der Amplitude des Fehlersignals.
Bei gewissen Anwendungen wie z. B. die GS10 und die GS25 von Woodword Governor Company von Rockford, Illinois hergestellten Betätigungen muss der maximale Rhythmus der Integration unter einer bestimmten Grenze geschalten werden um nachteilige Wirkungen zu vermeiden wie Spannungssättigungen und Bandweitenverlust. Bei diesen Betätigungen ist der maximale Rhythmus der Integration abhängig von der Betätigungsinduktanz. Je größer die Induktanz ist, desto kleiner braucht der maximale Rhythmus der Integration zu sein. Andernfalls würde die Betätigung unter Spannungssättigung leiden. Bei anderen Betätigungen oder Anwendungen kann es jedoch unnötig sein den maximalen Rhythmus der Integration zu begrenzen.
Die vom Hystereseschalter 65 erzeugte konstante Kraftkomponente 66 und die vom Integrator 72 und dem Hystereseschalter 69 erzeugte rampenförmigen Kraftkomponente 73 werden in der Additionsschaltung 79 mit dem Kompensationssignal 31 addiert um ein Steuerungssignal 32 zu erzeugen welches zum Eingang der Betätigung 55 geschickt wird. Da das rampenförmige Signal 73 in der gewünschten Richtung wächst, wird das Steuerungssignal 32 gegebenenfalls zu viel Strom haben und die Betätigung leicht über die gewünschte beständige Zustandsstellung treiben.
Sobald die Betätigung die gewünschte beständige Zustandsstellung überschritten hat, ändert das Zeichen des Fehlersignals 42. Zur gleichen Zeit ändert auch das Zeichen der Ausgänge der Hystereseschalter 65 und 69. Folglich werden die konstante Kraftkomponente 66 und die rampenförmige Kraft 73 in der anderen Richtung als zuvor ausgeübt. Einmal mehr wird die Amplitude der Kraftrampe 73 weiter steigen bis die Betätigung die gewünschte Stellung leicht überschritten hat. Zu dieser Zeit wechseln die Kraftkomponenten 66 und 73 erneut die Richtung.
Die Schwankungen der Betätigung um eine gewünschte Stellung dauern kontinuierlich in einem begrenzten Band das oft mit Grenzkurve bezeichnet wird. Wegen der Fähigkeit der Hystereseschalter die Richtung des Ausgangsstroms unverzögert zu ändern, kann die Betätigung eine schmale bis vernachlässigbare Grenzkurve haben.
Die rampenförmige Kraft 73 hat den zusätzlichen Vorteil jegliche Abweichungen die im System vorhanden sein können auszugleichen. Abweichungen sind Fehler die im System vorhanden sind bedingt durch Änderungen in der Verstärkung, statische Kräfte oder andere Ursachen. Der Effekt solcher Abweichungen ist, dass das System mehr Strom benötigt als derjenige der vom Systemmodell vorausgesagt ist. Das Kompensatorsignal 31 wird deshalb nicht ausreichen um die Betätigung zu betreiben (wenn man die Effekte der Reibung außer Acht lässt). Die rampenförmige Kraft 73 ist in der Lage diesen zusätzlichen Strom zu liefern ohne die Leistung des Systems zu benachträchtigen. Wenn ein Abweichungsfehler im System vorhanden ist, wird das Zeichen des Fehlersignals 42 nicht ändern bis das Fehlersignal überwunden ist.
Gemäß 6 kann erfindungsgemäß die Leistung des Störungsabschätzers und Störungssteuerung dadurch verbessert werden, dass gewisse lineare Elemente vorgesehen werden um die beschriebene nicht-lineare Auslegung zu vervollständigen. 6 zeigt die Figur gemäß 5 mit zwei zusätzlichen linearen Elementen. Die zwei zusätzlichen linearen Elemente ermöglichen dem Abschätzer und der Steuerung sehr große Fehlersignale auszugleichen welche nicht unbedingt auf Störungen beruhen z. B. wenn die Betätigung von einer Extremstellung in die andere Extremstellung gesteuert wird.
Man kann feststellen, dass 6 der 5 ähnlich ist und dass die entsprechenden Komponenten an ähnlichen Stellen angeordnet sind. Die Verstärkerblöcke in 6 umfassen jedoch nicht nur den allgemeinen Bestimmer K (der ausreichend beschrieben ist), sondern auch Faktoren welche diesen Gewinn bewirken. Der Fachmann durch die einzelnen Bezeichnungen der Faktoren in jedem Verstärkerblock wie die einzelnen Verstärkungen in einem bestimmten System bestimmt werden. Man kann also feststellen und wie oben allgemein beschrieben wurde, mit den in 6 definierten Verstärkungen, dass der Fachmann einen Regelkreis wie beschrieben und beansprucht entwerfen kann.
Was die Unterschiede zwischen den bevorzugten Ausführungen der 6 und 5 anbelangt wird eine lineare Signalkomponente 68 dem Eingang des Integrators 72 zugefügt. Das Fehlersignal 42 wird mit den Verstärkungen K_e1 und K_d multipliziert um ein Signal 68 zu erzeugen. Das Signal 68 wird in der Additionsschaltung 70 dem Ausgang 62 des Hystereseschalters 69 zugefügt um das Signal 71 zu bilden, welches der Eingang des Integrators 72 ist.
Die Verstärkung K_e1 ist dieselbe als das was im Zusammenhang mit 5 beschrieben wurde. K_d wird mit dem Zustandsraum oder klassischen Techniken welche den Fachleuten bestens bekannt sind bestimmt. Wenn das Fehlersignal klein ist, wird das Signal 68 nicht wesentlich zum Integrationsrythmus des Integrators 72 beitragen weil der Ausgang des Hystereseschalters 69 viel größer als das Signal 68 ist. Wenn das Fehlersignal groß ist, wird das Signal 68 jedoch dem Integrator 72 helfen schneller zu integrieren.
Die zweite Änderung gegenüber der Ausführung von 5 ist die Zufügung einer dritten Kraftkomponente auf Linie 67 zum Ausgang 73 des Integrators 72. Die dritte Kraftkomponente auf Linie 67 ist eine lineare Kraft und wird erzeugt durch die Multiplikation des Fehlersignals 42 mit den Verstärkungen K_e2 und K_d sind dieselben als vorher beschrieben. Die dritte Kraftkomponente auf Linie 67 wird klein sein und nicht sehr wesentlich wenn das Fehlersignal klein ist. Wenn das Fehlersignal groß ist, wird die dritte Kraftkomponente dazu beitragen die Betätigung in die gewünschte Stellung zu bewegen. Die Konstanten K_e1 und K_d werden so bestimmt, dass die Summe der ersten Kraftkomponente und der dritten Kraftkomponente kleiner ist als die tatsächlich im System vorhandene Störung.
Die dritte Kraftkomponente 67 wird in der Additionsschaltung 75 dem Ausgang 73 des Integrators beigefügt um das Signal 77 zu erzeugen. Es ist dieses neue Signal 77 das mit der konstanten Kraftkomponente 66 und dem Kompensatorsignal 31 in der Additionsschaltung 79 addiert wird um das Steuerungssignal 32 zu erzeugen. Die dritte Kraftkomponente kann aber auch unmittelbar in der Additionsschaltung 79 mit der ersten Kraftkomponente 66, der zweiten Kraftkomponente 73 und dem Kompensatorsignal 31 addiert werden.
Dadurch, dass die durch das lineare Signal 68 und die dritte Kraftkomponente 67 dargestellten linearen Elemente addiert werden, kann der Störungsabschätzer und Störungssteuerung der Erfindung besser auf einen großen Bereich Fehlersignalamplituden ansprechen. Die Hystereseschalter 69 und 65 ermöglichen der Erfindung die Reibungskräfte schnell zu überwinden wenn das Fehlersignal sehr klein ist (z. B. wenn die Betätigung eine sehr kleine Grenzkurve um eine beständige Zustandsstellung beibehält) und die linearen Signale 67 und 68 ermöglichen der Erfindung ein großes Fehlersignal schnell zu reduzieren (z. B. wenn die Betätigung von einer Extremstellung in die andere gesteuert wird).
Die Ausführung von 6 kann betrachtet werden als eine lineare Grundsteuerung welcher nicht-linearer ein Störungsabschätzer und Störungsintegrator überlagert ist. Obschon, wenn erwünscht die linearen Komponenten weggelassen werden, können sie so der Erfindung bringen trotzdem einiges Nutzen. Wenn z. B. eine Grundsteuerungsanordnung aus linearen Überlegungen stammt, ist es möglich diesen linearen Elementen einen nicht-linearen Störungsabschätzer und Störungssteuerung zu überlagern und diese gleichzeitig zu betreiben. Die Elemente können dann getrennt werden, wenn erwünscht und separat untersucht werden. Wenn z. B. ein Fehler festgestellt werden muss, ist es möglich den nicht-linearen Störungsabschätzer abzuschalten und sich auf die lineare Steuerung zu verlassen um die Störung zu beseitigen. Wenn die Steuerung ausreichend entstört ist, können der nicht-lineare Störungsabschätzer und die Störungssteuerung wieder eingeschaltet werden um den vollen Nutzen aus der Erfindung zu ziehen. Die Benutzung der Überlagerung von nicht-linearen Komponenten mit einer sehr starken und stabilen linearen Steuerung macht die Entwicklung der Steuerung sehr leicht im Vergleich zu klassischen Annäherungen. Die Überlagerung der nicht-linearen Störungsabschätzer und Störungssteuerung ergibt eine genauere Betriebsweise. Des Weiteren beteiligen sich die linearen Komponenten an der allgemeinen Wirkung wenn große Bewegungen verlangt sind. Die nicht-linearen Elemente lassen nicht zu, dass die Steuerung langsam wird, wenn der Fehler klein ist. Das Beste wird somit aus beiden Systemen herausgenommen.
Es wird demgemäß deutlich, dass eine neue Art Rückkapplungsregelkreis geschaffen wurde. Es ist ein Zustandsmodell vorgesehen, das von sehr einfacher Gestaltung sein kann. Eine Grundsteuerung welche je nach Wunsch linear sein kann, steuert sowohl die Anlage (die Betätigung) wie auch das Zustandsmodell. Ein Ausgang des Zustandsmodells wird mit dem entsprechenden Rückkapplungssignal von der Anlage verglichen um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird von Störungsabschätzer abgetastet um beim Vorhandensein einer Störung eine Störungssteuerung zu bedienen und dem System eine nicht-lineare Korrektur aufzuerlegen um die Störung zu beherrschen. Die Steuerung ist verhältnismäßig einfach im Entwurf und erzeugt trotzdem die wünschenswerten Steuerungszeichen.

Claims

Ein Regelkreis für eine nicht linearen Störungen ausgesetzte Anlage mit: einer auf ein externes Befehlssignal (10) und auf ein erstes Rückkapplungssignal (41, 43) ansprechbare Steuerung zur Erzeugung eines ersten Steuerrungsausgangssignal (46); gekennzeichnet durch ein auf das erste Steuerungsausgangssignal (46) ansprechbares Modell (40), um das Ansprechen der Anlage, auf das erste Steuerungsausgangssignal (46) nachzuahmen, wobei das Modell (40) das erste Rückkapplungssignal (41, 43) erzeugt, welches das Ansprechen der Anlage als Folge, davon anzeigt erste Mitteln (56a), um das tatsächliche Ansprechen der Anlage (56) mit dem ersten Rückkapplungssignal zu vergleichen, wobei diese Mitteln als Folge ein erstes Fehlersignal (42) erzeugen, einen auf das erste Fehlersignal (42) ansprechbaren Störungsabschätzer (60, 60a, 60b), um ein erstes Kompensierungsausgangssignal (61) zu erzeugen das berechnet ist, um die Korrektur nicht-linearer Störungen anzunähern und zweite Mitteln, um das erste Steuerungsausgangssignal (46) mit dem ersten Kompensierungsausgangssignal zu addieren, wobei diese zweite Mitteln ein kompensiertes Steuerungssignal (32) erzeugen, um die Anlage (55) entsprechend zu steuern.
Ein Regelkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch dritte Mitteln, um das erste Steuerungsausgangssignal (46) vor der Summierung durch die zweite Mitteln zu ändern.
Ein Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (40) ein Zustandsmodell der Anlage umfasst.
Ein Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsabschätzer (60, 60a, 60b) einen ersten Hystereseschalter (65) umfasst der ausgebildet ist, um das erste Fehlersignal (42) aufzunehmen und dass der erste Hystereseschalter (65) beim Ansprechen auf die Polarität des ersten Fehlersignals (42) ein Störungssteuerungssignal (66) einer vorbestimmten Amplitude erzeugt.
Ein Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hystereseschalter (65) die Polarität des Störungssteuerungssignals (66) ändert als Folge eine Änderung der Polarität des ersten Fehlersignals (42).
Ein Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Amplitude des Störungssteuerungssignals (66) unabhängig von der Amplitude des ersten Fehlersignals ist.
Ein Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Amplitude des Störungssteuerungsignals nicht ausreicht, um die Wirkung nicht-linearer Störungen zu überwinden.
Ein Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störungsabschätzer (60, 60a, 60b) desweiteren einen zweiten Hystereseschalter (69) aufweist, welcher ausgebildet ist, um das erste Fehlersignal (42) zu erhalten und dass der zweite Hystereseschalter (69) beim Ansprechen auf die Polarität des ersten Fehlersignals (42) ein Ausgangssignal (62) erzeugt und einen ersten auf das Ausgangssignal ansprechenden Integrator, um ein rampenförmiges Signal zu erzeugen, ein Additionsmittel (79), das auf das Störungssteuerungssignal (66) und auf das rampenförmige Signal anspricht, um ein erstes Kompensierungsausgangssignal (32) zu erzeugen.
Ein Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hystereseschalter (69) die Polarität des Ausgangssignals (62) ändert, als Folge einer Änderung der Polarität des ersten Fehlersignals (42).
Ein Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rampenförmige Signal eine vorbestimmte Neigung hat.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Regelkreises gemäss Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten: Erzeugen eines Steuerbefehls (46) einer Anlage aufgrund eines externen Eingangsbefehlsignal und eines Rückkapplungssignals (41, 43) gekennzeichnet durch Modellieren eines Zustandes der Anlage (55) aufgrund des Steuerbefehls (46) der Anlage zum Erzeugen Rückkapplungseingangsignal; Regeln des Steuerbefehls (46) der Anlage aufgrund des Rückkapplungseingangssignals; Ansteuern eines Zustandes der Anlage mit dem geregelten Steuerbefehl (46) der Anlage; Vergleichen des Zustandes der Anlage mit dem Rückkaplungseingangssignal, um ein Fehlersignal (42) zu erzeugen; Berechnen eines geschätzten Störungskompensierungssignals; Ansteuern eines Zustandes der Anlage mit dem geregelten Steuerbefehl (46) der Anlage; Vergleichen des Zustandes der Anlage mit dem Rückkapplungseingangsignal, um ein Fehlersignal (42) zu erzeugen; Berechnen eines geschätzten Störungskompensierungssignals (61) aufgrund des Fehlersignals; Nachregeln des geregelte n Steuerbefehls der Anlage aufgrund des geschätzten Störungskompensierungssignals.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Modellierung des Zustandes der Anlage aufgrund des geregelten Steuersignals der Anlage und des Fehlersignals (42).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das berechnen eines geschätzten Störungskompensierungssignals (61) aufgrund des Fehlersignals folgende Schritte umfasst: Erzeugen Störungssteuerungssignal (66) einer vorbestimmten Amplitude und ein Ausgangssignal (62) aufgrund der Polarität des Fehlersignals (42); Integrieren des Ausganssignals zum Erzeugen eines rampenförmigen Signals und Addieren des Störungssteuerungssignals und des rampenförmigen Signals zum Erzeugen des geschätzten Störungssteuerungssignals.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen eines Störungssteuerungssignals einer vorbestimmten Amplitude und eines Ausgangssignals aufgrund der Polarität des Fehlersignals (42) weiter den Schritt umfassen die Polarität des Störungssteuerungssignals und des Ausgangssignals zu ändern aufgrund einer Änderung der Polarität des Fehlersignals (42).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung eines Zustandes der Anlage aufgrund des Steuerbefehls der Anlage folgende Schritte umfasst: Integrieren des Steuerbefehls der Anlage zum Erzeugen einer abgeleiteten Schätzung des Zustandes der Anlage einer abgeleiteten Schätzung des Zustandes der Anlage Regeln der abgeleiteten Schätzung des Zustandes der Anlage aufgrund des Fehlersignals (42), und Integrieren der geregelten abgeleiteten Schätzung des Zustandes der Anlage zum Erzeugen des modellierten Zustands der Anlage.
Ein Regelkreis nach einem der Ansprüche 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine nicht-linearen Reibungsstörungen ausgesetzte Bestätigung ist und der Störungsabschätzer ein nicht-linearer Störungsabschätzer ist, welcher das erste Kompensierungsausgangssignal (62) erzeugt, das berechnet ist, um die nicht-linearen Reibungsstörungen auszugleichen.